一、引言
1946年數(shù)據(jù)中心誕生于美國(guó),至今已經(jīng)歷4個(gè)階段近70年的發(fā)展歷程,數(shù)據(jù)中心從最初僅用于存儲(chǔ)的巨型機(jī),逐漸轉(zhuǎn)向多功能、模塊化、產(chǎn)品化、綠色化和智能化。在越來(lái)越注重節(jié)能和精細(xì)化的今天,數(shù)據(jù)中心的每一個(gè)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)都閃耀著工程師智慧的光芒。他們對(duì)于數(shù)據(jù)中心的規(guī)劃設(shè)計(jì),不再滿足于僅停留在功能這一基本的要求上,現(xiàn)在的數(shù)據(jù)中心你會(huì)看到更多關(guān)于節(jié)能環(huán)保及工程之美、綠色之美等設(shè)計(jì)理念。
評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)中心的優(yōu)劣,與其提供的服務(wù)質(zhì)量,成本控制及綠色程度密切相關(guān)。能夠提供穩(wěn)定及具備高可用性的服務(wù)是對(duì)云服務(wù)商和數(shù)據(jù)中心的基本要求。在此基礎(chǔ)上具備良好的成本控制能力是數(shù)據(jù)中心綜合能力的體現(xiàn)。此外,《穹頂之下》已為我們揭開的環(huán)境污染遮羞布,不容許作為占全球用電量1.5%的數(shù)據(jù)中心行業(yè)保持沉默。綠色程度,是數(shù)據(jù)中心勇于承擔(dān)社會(huì)責(zé)任的詮釋。
數(shù)據(jù)中心穩(wěn)定運(yùn)行的前提是必須保證各個(gè)設(shè)備部件的正常工作,目前保證各個(gè)設(shè)備部件正常工作的做法是由運(yùn)維人員定期進(jìn)行設(shè)備巡檢,依靠運(yùn)維人員的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)以及給設(shè)備設(shè)定的告警閥值進(jìn)行判斷。由于沒(méi)有準(zhǔn)確的判斷標(biāo)準(zhǔn),或因告警閥值設(shè)置不合理而出現(xiàn)資源浪費(fèi)甚至因延遲事故告警時(shí)間影響數(shù)據(jù)中心穩(wěn)定運(yùn)行是目前讓運(yùn)維人員非常頭痛的問(wèn)題?;诖耍疚囊胗?jì)算流體力學(xué)仿真軟件,將機(jī)房物理建模(CFD仿真),根據(jù)機(jī)房實(shí)際負(fù)荷計(jì)算并展示出機(jī)房目前的氣流組織及機(jī)房空調(diào)冷量使用情況。發(fā)現(xiàn)機(jī)房過(guò)熱或者過(guò)冷區(qū)域,通過(guò)模擬調(diào)節(jié),尋找最佳氣流組織設(shè)置方案,消除局部過(guò)熱及過(guò)冷現(xiàn)象,以期達(dá)到消除安全隱患,發(fā)掘節(jié)能潛力的目的。
1、CFD實(shí)例說(shuō)明
下面結(jié)合具體事例闡述氣流組織合理設(shè)計(jì)配置的重要意義。
某機(jī)房,自2012年7月投入使用以來(lái)已運(yùn)行了2個(gè)年頭。為評(píng)估目前機(jī)房?jī)?nèi)散熱性能是否與初始設(shè)計(jì)一致,需要對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)的熱物理參數(shù)進(jìn)行分析。但是,氣流具有不可視且流動(dòng)性強(qiáng)的特點(diǎn),若直接采集數(shù)據(jù)工作量極大,且分析工作難度很大。本文采用CFD仿真模擬,計(jì)算出機(jī)房?jī)?nèi)的溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)等數(shù)據(jù),直觀地展示關(guān)鍵熱物理參數(shù),大大降低分析氣流與傳熱過(guò)程的難度,給氣流組織優(yōu)化設(shè)計(jì)配置工作帶來(lái)極大便利。
1.1.機(jī)房基本信息及建模
某運(yùn)營(yíng)商合建機(jī)房位于中國(guó)南方熱帶地區(qū)(該地區(qū)普通數(shù)據(jù)中心PUE約1.7~2.0),由物流倉(cāng)儲(chǔ)改造而成,面積約數(shù)百平方米。部署了10列機(jī)柜數(shù)千臺(tái)服務(wù)器。每個(gè)機(jī)柜設(shè)計(jì)電流20A。機(jī)柜采用冷暖通道布置,且冷通道封閉。制冷采用11臺(tái)某品牌某型號(hào)空調(diào),按照7用4備的運(yùn)行方式為機(jī)房提供冷量。根據(jù)機(jī)房的建筑結(jié)構(gòu)、IT設(shè)備、制冷設(shè)備、配電設(shè)備等實(shí)際布局建立物理模型如圖1所示。
圖1 某機(jī)房布局仿真模型圖
1.2.機(jī)房初始狀態(tài)現(xiàn)象描述
以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際采集電、冷、風(fēng)的相關(guān)數(shù)據(jù)作為輸入條件,模擬出機(jī)房目前的運(yùn)行狀態(tài)。圖2、3是通過(guò)計(jì)算得到的機(jī)房靜壓箱內(nèi)壓力溫度分布和機(jī)房空間內(nèi)壓力溫度分布情況。
從靜壓箱的壓力分布情況(圖2a)來(lái)看,靜壓箱下壓力分布并不均勻。在房間中部出現(xiàn)了綠色區(qū)域,表明了機(jī)房中部存在低氣壓甚至負(fù)壓現(xiàn)象,負(fù)壓會(huì)使得氣流倒流,影響冷熱空氣的正常循環(huán),應(yīng)盡量避免。
圖2靜壓箱中熱參數(shù)圖
從(圖2b)靜壓箱的溫度分布情況可以看出,機(jī)房地板下的冷空氣中出現(xiàn)了2個(gè)局部溫度偏高的區(qū)域(綠色)。如果不及時(shí)處理,這部分“問(wèn)題”的冷空氣可能會(huì)進(jìn)入機(jī)柜。由于這部分冷空氣溫度與設(shè)計(jì)值不一致,將無(wú)法按設(shè)計(jì)要求帶走相應(yīng)的熱量,從而影響后續(xù)一系列換熱過(guò)程。此外,該高溫區(qū)域的氣流還會(huì)對(duì)靜壓箱中其他部位的冷空氣造成“污染”,消耗一部分由其他空調(diào)產(chǎn)生的冷量。
圖3 機(jī)房中的熱參數(shù)圖
圖3展示的是機(jī)房空間中的壓力和溫度分布情況,從圖中可以看出,機(jī)房區(qū)域溫度場(chǎng)分布不均勻,底部第一個(gè)冷通道內(nèi)左右兩側(cè)存在溫差。機(jī)房整體呈現(xiàn)中部較冷,上下部偏熱的情況。
1.3.原因分析
根據(jù)靜壓箱中溫度不均勻現(xiàn)象,結(jié)合調(diào)取空調(diào)運(yùn)行參數(shù)(圖4)綜合分析發(fā)現(xiàn),空調(diào)送風(fēng)溫度不均勻、水閥開度差別很大,風(fēng)機(jī)基本都維持在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的區(qū)域,能耗較大。
圖4 空調(diào)運(yùn)行參數(shù)
如圖4顯示173號(hào)、180號(hào)兩臺(tái)空調(diào)水閥開度零,表明他們并未開啟。也就是說(shuō),這兩臺(tái)空調(diào)沒(méi)有起到制冷作用,僅僅是作為風(fēng)扇,將熱通道的回風(fēng)未加任何冷處理直接送入地板下,這才出現(xiàn)了173號(hào)、180號(hào)兩臺(tái)空調(diào)送風(fēng)溫度偏高現(xiàn)象(圖4)從而使與之相對(duì)應(yīng)的冷通道出現(xiàn)溫度偏高的情況(圖3b)。173號(hào)空調(diào)輸送的熱風(fēng)與其對(duì)面的177號(hào)空調(diào)輸送的冷風(fēng)進(jìn)入同一個(gè)冷通道,導(dǎo)致給該通道機(jī)柜送風(fēng)的冷通道出現(xiàn)了左熱右冷的情況(圖3b)。自動(dòng)調(diào)節(jié)模式關(guān)閉了173號(hào)、180號(hào)兩臺(tái)空調(diào)水閥,客觀上證明了機(jī)房空間開啟的5臺(tái)空調(diào)所產(chǎn)生的冷量已能夠滿足IT設(shè)備散熱需求。如再增加新的空調(diào)設(shè)備,不但不會(huì)減輕其他空調(diào)的負(fù)擔(dān),反而使其負(fù)荷增加,既影響IT設(shè)備散熱,又加大了數(shù)據(jù)中心運(yùn)行成本,據(jù)此我們建議關(guān)停部分空調(diào)。
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